CN102135459B - 基于波导阵列光栅差分解调的强度检测型光子晶体光纤长周期光栅应力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于波导阵列光栅差分解调的强度检测型光子晶体光纤长周期光栅应力传感器。本发明中光子晶体光纤长周期光栅的两个端口分别与宽带光源、波导阵列光栅的入射端光连接，波导阵列光栅的第2信道和第8信道为两个出射端口与光电转换器及信号处理单元光连接。光子晶体光纤长周期光栅是传感元；波导阵列光栅和光电转换器及信号处理单元构成光纤传感器的解调器。本发明有效消除光源抖动及传感系统各种不稳定因素所带来的干扰，而且大大提高了系统的精度。

Description

基于波导阵列光栅差分解调的强度检测型光子晶体光纤长周期光栅应力传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种基于波导阵列光栅(Array Waveguide Grating，AWG)差分解调的强度检测型光子晶体光纤长周期光栅(long-period grating written in a photonic crystal fiber，PCF-LPG)应力传感器及装置应力传感器。

背景技术

长周期光纤光栅(long-period fiber grating，LPG)是一种透射型光纤器件。LPG的谐振波长和幅值对外界环境的变化非常敏感，具有比普通光纤光栅更好的温度、弯曲、折射率灵敏度。然而，利用LPG测量应力等物理量时，对温度的交叉敏感大大限制了LPG应用。光子晶体光纤(photonic crystal fiber，PCF)是一种具有许多优良光学特性的新型光纤，如温度不敏感性。利用具有温度不敏感特性的光子晶体光纤制作的LPG可以有效消除传感器对温度的交叉敏感。

赵春柳等人提出以DFB作为光子晶体光纤长周期光栅应力传感器的光源，通过监测光子晶体光纤长周期光栅的出射光强检测应力变化，便宜的光功率计即可满足探测光强要求，大大降低了传感器成本。然而，基于强度检测的光子晶体光纤长周期光栅传感器会遇到光源抖动及传感系统各种不稳定因素所带来的干扰问题，影响测量精度。

发明内容

本发明目的就是为了克服现有技术中光子晶体光纤长周期光栅传感器解调单元精度不高的问题，提供了一种基于波导阵列光栅(Array WaVeguide Grating，AWG)差分解调的强度检测型光子晶体光纤长周期光栅应力传感器，此解调方案可以有效消除光源抖动及传感系统各种不稳定因素所带来的干扰。

本发明为解决技术问题所采取的技术方案：

基于波导阵列光栅差分解调的强度检测型光子晶体光纤长周期光栅应力传感器，包括宽带光源、光子晶体光纤长周期光栅、波导阵列光栅、光电转换器及信号处理单元。

光子晶体光纤长周期光栅的两个端口分别与宽带光源、波导阵列光栅的入射端光连接，波导阵列光栅的第2信道和第8信道为两个出射端口与光电转换器及信号处理单元光连接。光子晶体光纤长周期光栅是传感元；波导阵列光栅和光电转换器及信号处理单元构成光纤传感器的解调器。

本发明所具有的有益效果为：

1.以光子晶体光纤长周期光栅为传感元，可以有效消除传感元对温度的交叉敏感。

2.波导阵列光栅同时提供两个用于差分处理的光强度信号并将光强度信号有效地分开。由于这两个光强度信号分别落在光子晶体光纤长周期光栅的正斜率线性区和负斜率线性区，因而在应力改变时它们的变化趋势相反，有利于成倍提高传感系统的灵敏度。

3.光电转换及信号处理单元把光强信号转化为电压信号并进行快速差分处理。两个单波长光强信号在系统中经过相同的路径，因此差分后的结果能有效消除光源抖动及传感系统各种不稳定因素所带来的干扰。

4.本发明中解调系统的使用，避免了昂贵的光谱仪等波长监测设备的使用，大大降低了传感器成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步描述。

如图1所示，基于波导阵列光栅差分解调的强度检测型光子晶体光纤长周期光栅应力传感器，包括宽带光源1、光子晶体光纤长周期光栅2、波导阵列光栅3、光电转换及信号处理单元4。光子晶体光纤长周期光栅2的两个端口分别与宽带光源2、波导阵列光栅3的入射端光连接，波导阵列光栅3的第2信道和第8信道为两个出射端口与光电转换器及信号处理单元4光连接。

本实施方式的工作方式为：宽带光源发出的光入射到传感元光子晶体光纤长周期光栅，经过传感元光子晶体光纤长周期光栅的作用，传感元光子晶体光纤长周期光栅的透射光入射到波导阵列光栅，波导阵列光栅的出射光进入光电转换及信号处理单元。光子晶体光纤长周期光栅的正斜率线性区从1520nm到1552.45nm、负斜率线性区从1552.45nm到1580nm。通过选择波导阵列光栅的规格和通信信道，使波导阵列光栅出射的中心波长分别落在光子晶体光纤长周期光栅的正斜率线性区和负斜率线性区。应力的改变会引起传感元光子晶体光纤长周期光栅透射谱的左右平移，从而引起两部分波长的光强发生的变化且变化趋势相反。光强信号经光电转换后变为电压信号V1和V2，引入差分量，ΔV＝(V1-V2)/(V1+V2)。V1和V2是光源经同一路径到监测设备，V1和V2中可能包含光源抖动以及系统其它不稳定因素带来的噪声干扰，差分处理后，ΔV仅与应力信号有关，而与噪声信号无关，该装置正是通过ΔV来反映传感元光子晶体光纤长周期光栅应力的变化。当光源功率变化±10％时，利用差分解调原理测得的应力相对误差约为0.4％，测量精度达99.6％。

该装置能够实现消除噪声、提高精度的关键技术为：

1.利用波导阵列光栅将特定波长的光提取出来，这样就可以通过监测特定波长的光强度检测应力，避免使用价格昂贵的波长监测设备。

2.光子晶体光纤长周期光栅的周期和周期数与波导阵列光栅的规格和通信信道相匹配，被选中的通信信道的中心波长分别在光子晶体光纤长周期光栅正斜率线性区和负斜率线性区，使被监测的两部分波长的光强变化趋势相反，在此基础上进行信号差分处理，不仅可以成倍地提高了传感系统的灵敏度，而且使测量范围达到最大。

3.在信号处理单元引入差分运算ΔV＝(V1-V2)/(V1+V2)。

本实施例中用于写制光子晶体光纤长周期光栅的PCF，空气圆孔间距离为7.78μm、平均孔径为3.55μm、空气圆孔区直径为60μm、包层直径为125μm；PCF长5cm。光子晶体光纤长周期光栅周期为467μm、周期数为40。波导阵列光栅的信道数为16、信道间隔为1.6nm、起始信道波长为1560.61nm、单信道0.5dB带宽为0.5nm；选用第2信道和第8信道作为两个出射端口，它们的中心波长分别为1547.81nm和1559.01nm。

Claims (5)

1.基于波导阵列光栅差分解调的强度检测型光子晶体光纤长周期光栅应力传感器，包括宽带光源、光子晶体光纤长周期光栅、波导阵列光栅、光电转换器及信号处理单元，其特征在于：

光子晶体光纤长周期光栅的两个端口分别与宽带光源、波导阵列光栅的入射端光连接；波导阵列光栅的第2信道与第8信道为两个出射端口，分别与光电转换器及信号处理单元光连接，所述的两个出射信道出射的中心波长分别落在光子晶体光纤长周期光栅透射谱的正斜率线性区和负斜率线性区；光子晶体光纤长周期光栅是传感元；波导阵列光栅和光电转换器及信号处理单元构成所述应力传感器的解调器；

上述装置检测应力的原理为：当外界应力发生变化后，传感元光子晶体光纤长周期光栅透射谱会发生左右平移，从而引起两部分波长的光强发生变化且变化趋势相反；当光强信号经光电转换后变为电压信号V1和V2，引入差分量，ΔV＝(V1-V2)/(V1+V2)，其中V1和V2是光源经同一路径到监测设备，V1和V2中可能包含光源抖动以及系统其它不稳定因素带来的噪声干扰，差分处理后，ΔV仅与应力信号有关，而与噪声信号无关，可成倍提高传感系统的灵敏度。

2.如权利要求1所述的基于波导阵列光栅差分解调的强度检测型光子晶体光纤长周期光栅应力传感器，其特征在于：所述的光子晶体光纤长周期光栅具有温度不敏感特性，消除了传感元对温度的交叉敏感。

3.如权利要求1所述的基于波导阵列光栅差分解调的强度检测型光子晶体光纤长周期光栅应力传感器，其特征在于：所述的波导阵列光栅将某些特定波长的光提取出来，这样就可以通过监测特定波长的光强检测应力，避免使用价格昂贵的波长监测设备。

4.如权利要求1所述的基于波导阵列光栅差分解调的强度检测型光子晶体光纤长周期光栅应力传感器，其特征在于：所述的波导阵列光栅同时提供两个光强信号，并将这两个光强信号有效地分开。

5.如权利要求1所述的基于波导阵列光栅差分解调的强度检测型光子晶体光纤长周期光栅应力传感器，其特征在于：所述的光电转换及信号处理单元把光强信号转化为电压信号并进行快速差分处理。

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